Δυναμική Συμπεριφορά Πυλώνων από Σύνθετα Υλικά

Μεταπτυχιακός Φοιτητής : Κτιστοπούλου Αθηνά                                                      
Επιβλέπων Καθηγητής: Ραυτογιάννης Ι., Λέκτορας              
Ημερομηνία : Οκτώβριος 2006  

Πολλές μελέτες έχουν διεξαχθεί για την δυναμική συμπεριφορά των λεπτότοιχων διατομών από χάλυβα και από σύνθετα υλικά ωστόσο ελάχιστες έχουν γίνει για κωνικές διατομές. Για την ακρίβεια, η πλειοψηφία των σχετικών μελετών ασχολούνται με την στατική και δυναμική συμπεριφορά των χαλύβδινων μελών όπου το υλικό είναι ομογενές και ισότροπο. Στην μελέτη αυτή οι σύνθετες εγκάρσιες διατομές είναι κατά κανόνα λεπτότοιχες και το τοίχωμα θεωρείται ως πλάκα με διαστρωμάτωση με ειδική ή γενική ορθότροπη συμπεριφορά.    

Στην βιομηχανία παράγονται σύνθετα δομικά μέλη ποικίλων διατομών και διαστάσεων. Τα προϊόντα αυτά είναι κατασκευασμένα από πολυμερές περίβλημα με ενισχυμένο υλικό. Κατά κύριο λόγο χρησιμοποιούνται πολυεστέρας, βυνιλεστέρας ή εποξική ρητίνη για να συγκρατούν τα υλικά από Ε-glass, S-glass, αραμίδιο ή άνθρακα που χρησιμεύουν ως οπλισμός. Οι ίνες και τα πολυμερή συνδέονται μέσω κατάλληλης διαδικασίας όπως η διαδικασία περιέλιξης ινών για την δημιουργία της επιθυμητής εγκάρσιας διατομής.

Μια επιστημονική μελέτη που αφορά στην κατασκευή και την δοκιμή των πλαστικών ενισχυμένων με ίνες γυαλιού (FRP) στύλων βρίσκεται σε εξέλιξη στο πανεπιστήμιο της Μanitoba. Ο κύριος στόχος της μελέτης αυτής είναι η παραγωγή FRP στύλων για χρήση τους ως στύλων ηλεκτροφόρων καλωδίων σε αντικατάσταση των στύλων από συμβατικά υλικά. Οι στύλοι αυτοί κατασκευάζονται από βυνιλεστέρα ενισχυμένο με Ε-glass ίνες και παράγονται με την διαδικασία περιέλιξης ινών. Οι εγκάρσιες διατομές των σύνθετων πόλων είναι κοίλες κυκλικές και λεπτότοιχες, κατά συνέπεια το τελικό προϊόν είναι ελαφρύτερο σε σύγκριση με τους ήδη υπάρχοντες στύλους, ενώ οι απαιτήσεις σε αντοχή και ακαμψία ικανοποιούνται. Οι στύλοι μεταβίβασης υπόκεινται σε πλευρικό λυγισμό από τις πλευρικές φορτίσεις λόγω των καλωδίων και του άνεμου.

Επιπλέον, η παρουσία βραχίονα που τοποθετείται στην κορυφή για να συγκρατεί τα καλώδια και τα πιθανά μηχανήματα επηρεάζει την αξονική και στρεπτική ταλάντωση. Η δυναμική τους συμπεριφορά, ωστόσο, διαφέρει σημαντικά από αυτή των στύλων από συμβατικά υλικά. Το σχετικά μικρό μέτρο ελαστικότητας των υλικών από Ε-glass-βυνιλεστέρα οδηγεί σε χαμηλότερες φυσικές ιδιοσυχνότητες.

Στην μελέτη αυτή εξετάζονται επίσης τα χαρακτηριστικά των σύνθετων κωνικών στύλων με μια ελαστική σύνδεση. Στην περίπτωση αυτή η στήλη αποτελείται από δυο μέρη (κωνικά κυλινδρικά κελύφη) που συνδέονται μεταξύ τους με ρητίνη που εφαρμόζεται σε ένα ανεκτό μήκος της συναρμογής διαμορφώνοντας έτσι μια ελαστική σύνδεση. Η παρουσία μιας τέτοιας ελαστικής σύνδεσης μπορεί να επηρεάσει την δυναμική συμπεριφορά του στύλου.    

Εδώ παρουσιάζεται μια απλή τυποποίηση πεπερασμένων στοιχείων για την δυναμική ανάλυση σύνθετων κωνικών στύλων με ή χωρίς ελαστική σύνδεση. Συνυπολογίζονται τα αποτελέσματα των τεμνουσών δυνάμεων λόγω του σημαντικού ρόλου τους. Η ανάλυση γίνεται για διάφορες περιπτώσεις ιδιοτήτων υλικών, διαστάσεων εγκάρσιας διατομής και χαρακτηριστικών άρθρωσης. Τα αποτελέσματα της μελέτης συγκρίνονται με αριθμητικά αποτελέσματα από διαθέσιμους κωδικούς πεπερασμένων στοιχείων εμπορίου και αντιστοιχίζονται με πραγματικούς σύνθετους στύλους με προσανατολισμένες ίνες.    

Τέλος, αναλύονται τα πειραματικά αποτελέσματα μελέτης που έγινε για την επίδραση της ελαστικής σύνδεσης στην στατική και δυναμική συμπεριφορά των στύλων. Τα αποτελέσματα αυτά προέρχονται από το ερευνητικό πρόγραμμα που έλαβε χώρα στο πανεπιστήμιο της Μanitoba, για την κατασκευή στύλων από πολυμερές υλικό ενισχυμένο με ίνες γυαλιού (GFRP στύλοι). Οι στύλοι που χρησιμοποιήθηκαν στο πείραμα αποτελούνταν από δύο σύνθετους κυλίνδρους με πλέξη από ίνες, οι οποίοι συγκολλήθηκαν μεταξύ τους με ρητίνη που εφαρμόστηκε σε συγκεκριμένο μήκος της σύνδεσης. Στην παρούσα μελέτη εξετάζονται κυρίως τα στατικά και δυναμικά χαρακτηριστικά, οι τρόποι αστοχίας, οι θεμελιώδεις συχνότητες και οι ιδιοπερίοδοι αρθρωτών σύνθετων στύλων για διάφορα μήκη σύνδεσης. Τα αποτελέσματα του πειράματος επιβεβαιώθηκαν μέσω της σύγκρισης τους με τα αριθμητικά αποτελέσματα της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων. Τελικά συμπεράναμε ότι η επίδραση της ελαστικής σύνδεσης στην συμπεριφορά των αρθρωτών στύλων μπορεί να είναι σημαντική για συγκεκριμένα μήκη σύνδεσης.